西南科大在非平衡量子相变的研究中取得新进展

四川在线消息 （四川日报记者 江芸涵） 记者5月18日从西南科技大学获悉，该校理学院理论物理研究所刘涛老师与中科院武汉物理与数学研究所冯芒课题组、浙江大学物理系王浩华课题组以及澳大利亚马考瑞大学工程量子体系ARC中心合作，在实验探索量子多体体系的量子相变研究中取得重要进展。5月14日，他们的研究成果“Exploring the quantum critical behaviour in a driven Tavis–Cummings circuit”在线发表在《自然》杂志子刊 《自然通讯》 上。

量子多体系统问题是原子物理、凝聚态物理、量子光学和量子信息等领域中一个十分重要的内容。量子多体系统的行为中有一类由量子涨落导致的基态性质或激发态能级结构的突变，表现为二级相变。量子相变与通常的经典相变（如冰变为水）不同，与温度无关，而且与相互作用的细节无关，是大量微观粒子相互作用与量子涨落竞争的结果。研究量子相变不仅是探索量子多体效应的重要途径，也是量子信息科学目前特别关注的课题。

以往这类量子相变理论上只有在光与物质的强耦合下才可以被观察到，而目前的实验技术手段难以达到所需的要求。研究团队发表在《自然通讯》上的最新研究成果，利用一个集成有四个位相量子比特的超导芯片，成功演示了这种从正常相到超辐射相的量子相变，表明在光与物质的弱耦合体系中量子相变也可以被观察到。研究发现，在施加驱动场之后，原量子体系的宇称出现破缺，相变点由体系特征频率相关量骤减至体系特征失谐相关量，因此，在弱耦合体系中，非平衡量子相变可以发生。这一结果不仅验证了该研究团队在两年前提出的实现非平衡相变方案[New Journal of Physics 15，123032 (2013)]，而且进一步揭示了在退相干影响下的量子相变所展示的量子集体行为，实验观察与理论模拟结果一致。该研究成果加深了人们对宇称破缺影响量子多体行为的认识，也为进一步探索量子多体关联、量子模拟和量子精密测量等打下了坚实基础。

该项研究得到了科技部国家重大科学研究计划“囚禁单原子（离子）与光耦合体系量子态的操控”和“多重量子相干器件制备、表征及外场调控”等项目支持。